2022년 8월 16일 화요일

T Technical Report

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2개의 와이어로 상태 모니터링 애플리케이션에 장비 상태 데이터와 전원 공급 둘 다 제공하는 새로운 SPE 표준

글: 모리스 오브라이언(Maurice O’Brien) 전략적 마케팅 매니저 /  아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

스마트 산업에서 상태 모니터링의 중요성
공장이나 플랜트 설비에서 생산성은 높이고 유지 비용은 줄이며 가동 중단시간은 최소화하고자 함에 따라 실시간 상태 모니터링과 예방 정비가 갈수록 중요해지고 있다. 상태 모니터링은 장비 수명을 연장하고, 제조 품질을 향상시키며, 제조 설비에서의 안전성을 높일 수 있게 해준다.
 
예기치 않은 가동중단으로 인한 손해가 제조 비용의 거의 1/4을 차지하고 있기 때문에, 예방 정비를 통해서 상당한 비용을 절감하고 생산성을 높일 수 있다.
 
시장 조사 보고서들에 따르면, 상태 모니터링과 예방 정비 시장은 25 ~ 40%의 연평균 성장률(CAGR)을 나타낼 것으로 전망된다. 성장 동력은 크게 두 가지를 꼽는다. 첫째, 장비 상태를 모니터링하기 위한 스마트 센서의 사용 증대이다. 두 번째 성장 동력은, 장비 상태 데이터로부터 유용한 통찰을 끌어내기 위해서 인공 지능과 첨단 분석의 사용이 늘고 있다는 것이다. 이것은 예방 정비를 가능하게 하고 서비스 기반의 새로운 예방 정비 사업 모델을 창출할 수 있다. 상태 모니터링은 다음의 산업 분야를 포함한 모든 업계에서 도입이 빠르게 늘어나고 있다:

▶ 폐기물 및 폐수 처리
▶ 제조업
▶ 제지 및 펄프
▶ 식음료
▶ 제약
▶ 금속 및 광산업
▶ 에너지
▶ 석유 및 가스 설비 

이들 산업 분야 내에서, 상태 모니터링 애플리케이션은 기존의 회전 장비 애플리케이션(펌프, 컴프레서, 팬)을 넘어 이제는 CNC 머신, 머신 툴, 인코더, 컨베이어 벨트, 로봇, 계측 기기 같은 새로운 애플리케이션들로 확대되고 있다(그림 1).

통신 관련 해결해야 할 과제들
상태 모니터링 애플리케이션의 중요한 해결 과제 중 하나는 스마트 센서부터 상위의 관리 시스템까지 연결하는 것이다. 오늘날 상태 모니터링 애플리케이션은 최종 애플리케이션의 필요에 따라서 유선 또는 무선 커넥티비티 솔루션을 사용하고 있다. 무선 커넥티비티 솔루션은 설치가 편리하다는 점에서 유리하나, 대역폭과 배터리 수명이 제한적이다. 유선 커넥티비티 솔루션은 때때로 데이터 대역폭이 제한적이고 열악한 산업 환경에서 긴 거리를 지원하지 못할 수 있으며 전력 공급을 위한 별도의 케이블을 필요로 할 수가 있다.
 
100BASE-TX/10BASE-T를 기반으로 한 기존 산업용 이더넷 솔루션은 PoE가 가능한 Cat-5 또는 Cat-6e 케이블을 통해서 최대 100Mb에 이르는 높은 데이터 대역폭과 전원을 공급할 수 있으나, 거리가 100미터까지로 제한적이고 고전력 솔루션이라서 위험한 장소에서 활용하기에 적절치 못하다. 상태 모니터링을 위해서는 원격지 센서까지 긴 거리에 걸쳐서 견고한 통신이 필요하며, 설치 장소가 열악하므로 센서 노드를 공간과 전력이 제한적인 IP66/IP67 인클로저 안에 집어넣는다. 이러한 제약 때문에 센서 노드 애플리케이션은 전력 소모가 적고 데이터 대역폭이 높은 통신 솔루션을 필요로 한다. 가격대가 저렴하면서 설치가 손쉬운 케이블을 통해서 전원과 데이터를 모두 제공하면서 센서 노드에 대한 케이블 커넥터가 소형이어야 한다.
 
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그림 1: 상태 모니터링 애플리케이션

싱글 페어 이더넷(SPE)을 사용한 새로운 커넥티비티 솔루션
IEEE가 개발한 새로운 싱글 페어 이더넷(SPE) 물리층 표준은 상태 모니터링 애플리케이션에 장비 상태 데이터 통신을 위한 새로운 커넥티비티 솔루션을 제공한다. 이것이 바로 2019년 11월 7일에 IEEE로부터 승인을 받은 새로운 이더넷 물리층 표준(IEEE 802.3cg-2019)인 ‘10BASE-T1L’이다. 이 표준은 필드 장비에 이더넷을 매끄럽게 연결하고 운영 효율을 크게 향상시킴으로써 자동화 산업을 크게 혁신할 것으로 기대된다. 10BASE-T1L을 도입함으로써 기존에 필드 장비에 이더넷 사용을 제한했던 한계점들을 극복할 수 있다. 그러한 예로서 전력, 대역폭, 케이블, 거리, 데이터 섬, 본질적으로 안전한 0종 장소(Intrinsically Safe Zone 0, 위험성이 높은 장소) 애플리케이션을 들 수 있다. 10BASE-T1L은 브라운필드 업그레이드나 새로운 그린필드 설치로 이러한 한계점들을 해결함으로써 장비 상태에 관해서 이전에 얻을 수 없던 새로운 통찰을 제공하고, 이를 제어층과 클라우드/사설 서버로 매끄럽게 전송할 것이다. 이 새로운 통찰을 활용하면 데이터 분석에서 새로운 것들이 가능할 것이며, 필드 장비에서부터 클라우드나 사설 서버에 이르기까지 융합적 이더넷 네트워크를 통해서 운영 효율과 생산성을 향상시킬 수 있을 것이다(그림 2).
 
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그림 2: 융합적 IT/OT 네트워크를 통해 장비 상태에 관한 새로운 통찰 확보.

10BASE-T1L 이더넷 커넥티비티의 이점
10BASE-T1L은 기존 통신과 달리 제어 및 관리 네트워크로 연결하기 위해서 복잡하고 전력 소모적인 게이트웨이를 필요로 하지 않으며, IT(information technology)와 OT(operating technology) 네트워크를 결합한 융합 이더넷 네트워크를 실현한다. 따라서 설치가 간단하고, 디바이스 교체를 손쉽게 할 수 있으며, 네트워크 커미셔닝과 구성을 빠르게 할 수 있다. 또한 소프트웨어 업데이트를 신속히 할 수 있으며 필드 장비에 문제가 발생했을 때 원인 분석과 유지보수가 간단하다. 10BASE-T1L 물리층과 메시징 전송 프로토콜(MQTT)를 결합하면 저전력 스마트 센서들을 위해서 메모리 풋프린트가 낮은 필드 장비용 메시징 프로토콜을 제공할 수 있다. MQTT는 장비 상태에 대한 정보를 클라우드나 사설 서버로 곧바로 전달할 수 있으므로 향상된 데이터 분석 및 예방 정비가 가능하게 해준다.
 
10BASE-T1L을 지원하는 필드 장비와 통신하려면 MAC(medium access control)을 통합한 호스트 프로세서, 수동 미디어 컨버터, 10BASE-T1L 포트를 갖춘 스위치가 필요하다. 그 외의 추가적인 소프트웨어, 특수 드라이버, 맞춤형 TCP/IP 스택은 필요 없다(그림 3). 10BASE-T1L 디바이스의 이점은 다음과 같다:

▶ 10BASE-T1L은 전력 소모가 매우 적은 물리층 기술로서, 이 기술을 사용하면 높은 데이터 대역폭으로 저전력 스마트 센서를 연결할 수 있다.
▶ 10BASE-T1L을 사용해서 연결된 스마트 센서는 네트워크를 통해서 접속하고 언제 어디서나 원격으로 업데이트할 수 있다. 센서들이 갈수록 복잡해짐에 따라서 소프트웨어 업데이트도 점점 더 빈번해지고 있는데, 빠른 이더넷 연결을 통해서 업데이트를 신속히 마칠 수 있다.
▶ 첨단 이더넷 네트워크 진단 툴들을 사용해서 원인 분석을 쉽게 할 수 있다.
▶ 1킬로미터 혹은 그 이상에 이르기까지 단일 연선 케이블을 통해서 스마트 센서를 유연하게 설치할 수 있으며, 단일 연선 케이블을 통해서 전원과 데이터를 모두 제공한다.
▶ 필드 장비에서 실행되는 웹 서버를 통해서 장비 상태 데이터를 원격으로 이용할 수 있으므로, 유지보수 기사가 일일이 장비 상태를 모니터링할 필요가 없다. 따라서 상당한 비용 절감이 가능하다. 
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그림 3: 10BASE-T1L PHY를 사용하여 필드 장비와 스마트 센서 연결

2개의 와이어를 통해 전원과 데이터 제공
ADIN1100은 아나로그디바이스(ADI)의 10BASE-T1L PHY 제품으로서, 단일 연선 케이블을 통해서 39mW에 불과한 전력 소모로 1000미터가 넘는 거리에 대한 저전력 이더넷 커넥티비티를 가능하게 한다. SPoE(Single-pair Power over Ethernet) 또는 잘 설계된 전원 솔루션에 10BASE-T1L PHY를 결합함으로써 단일 연선 케이블을 통해서 전원과 데이터를 모두 제공할 수 있다. 동일한 케이블을 통해서 10Mb 데이터 대역폭 통신 링크와 상당한 용량의 전원을 공급하므로, 스마트 센서에 최신 상태 모니터링 애플리케이션에 필요로 하는 전원과 커넥티비티 대역폭을 제공할 수 있다. 10BASE-T1L을 사용함으로써 융합적 IT/OT 이더넷 네트워크를 통해서 장비 상태에 관한 더 많은 통찰을 얻을 수 있다. 10BASE-T1L은 공정 자동화 애플리케이션에 위험 장소에서의 활용 사례(본질적으로 안전한 0종 장소)를 지원하는데, 이는 ‘이더넷-APL’이라고 불리기도 한다. 10BASE-T1L/이더넷-APL은 장비 상태 모니터링 스마트 센서를 상위의 데이터 관리 시스템에 연결하는 새로운 저전력 솔루션을 가능하게 할 것이다. 또한 AI와 최신 분석 시스템은 장비 상태 데이터를 유용한 통찰로 변환하고 새로운 예방 정비 서비스를 가능하게 할 것이다.

시스템 레벨 솔루션과 AI 플랫폼으로 개발 시간 단축
상태 모니터링 애플리케이션을 위한 시스템 레벨의 포괄적 솔루션을 사용함으로써 고품질 데이터와 통찰을 얻고 제조 공정을 크게 향상시킬 수 있다. 10BASE-T1L/이더넷-APL과 함께 ADI의 오토센스(OtoSense™) 같은 실시간 AI 기반 센싱 기술을 활용해서 모든 층위의 고객 시스템들에 AI를 통합할 수 있다. ADI의 OtoSense 플랫폼은 소리, 진동, 압력, 전류, 온도 같은 것들을 측정하고 분석해서 연속적으로 상태 모니터링을 하고 필요하면 진단을 할 수 있다. 에지 상의 필드 장비에서 온라인이나 오프라인으로 실시간으로 실행할 수 있다. ADI OtoSense 시스템은 이상을 감지하고 상태 모니터링 분야 전문가들과 상호작용을 통해서 학습을 하며, 디지털 지문을 생성해서 기계 장비에 어떠한 문제가 있는지를 식별한다. 그러므로 심각한 고장이나 가동 중단이 발생하기 전에 문제를 해결할 수 있다.
 
센싱, 신호 처리, 커넥티비티, 기계적 패키징 기법, 에지 상에서의 인공 지능 같은 것들이 발전함에 따라 상당한 비용을 절감하고 생산성을 향상시키는 새로운 상태 모니터링 솔루션과 예방 정비가 가능해졌다.
 
상태 모니터링 애플리케이션용 시스템 솔루션은 진동 및 충격 감지를 위한 MEMS 센서, 데이터 수집을 위한 정밀 컨버터 기술, 고품질 장비 상태 통찰을 얻기 위한 에지 프로세싱을 포함한다. 저전력이면서 견고한 유/무선 통신 솔루션을 사용해서 장비 상태 데이터에 접근할 수 있다. 무선 통신 솔루션으로는 SmartMesh®나 Wireless HART®를 들 수 있다. 유선 통신 솔루션은 RS-485나 2개의 와이어를 통해서 전원과 데이터를 공급하는 10BASE-T1L 싱글 페어 이더넷(SPE)을 들 수 있다. OtoSense 같은 자산 모니터링 솔루션으로 이러한 기술과 고성능 전원 관리를 결합해서 전체적인 하드웨어 및 AI 모니터링 솔루션을 달성할 수 있다. 이를 장비에 탑재하여 예방 정비를 할 수 있다(그림 4).
 
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그림 4: 아나로그디바이스(Analog Devices)의 상태 모니터링 솔루션
 
장비 상태에 관한 유용한 통찰과 빠른 커넥티비티는 스마트 팩토리에서 장비 수명을 연장하고, 유지보수 비용을 절감하며, 예기치 않은 가동 중단을 방지할 뿐만 아니라, 제조 품질과 안전성을 높일 것이다.
 
analog.com/cbm에 방문하면 ADI가 상태 모니터링 애플리케이션용으로 어떠한 시스템 레벨 솔루션과 인공 지능 기술을 제공하고 있으며, 고객과 파트너사들이 모니터링 및 예방 정비 서비스 기반 솔루션을 빠르게 개발하고 구축할 수 있도록 어떻게 돕고 있는지에 관해 더 많은 정보를 확인할 수 있다.

저자 소개
모리스 오브라이언(Maurice O’Brien)은 아나로그디바이스(Analog Devices)의 산업용 커넥티비티 제품 마케팅 매니저로서, 산업 애플리케이션을 위한 산업용 이더넷 커넥티비티 솔루션을 담당하고 있다. 그 전에는 15년 간 전원 관리와 관련한 애플리케이션 및 마케팅 직책을 역임했다. 아일랜드의 리머릭 대학에서 전자공학 학사학위를 취득했다. 문의: maurice.obrien@analog.com